地理模拟优化系统GeoSOS 及前沿研究

第 ８期 黎 夏等： 地理模拟优化系统 Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ 及前沿研究
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图１ 地理模拟优化系统（ Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ ） 逻辑架构图 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｔ ｈ ｅｆ ｒ ａ ｍｅ ｗ ｏ ｒ ｋｏ ｆ Ｇ ｅ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄＯ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ （ Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ ）
２ 地理模拟优化系统（ Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ ） 的实 现方法
２ ． １ 地理模拟优化系统（ Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ ） 的概念 地理模拟优化系统（ Ｇ ｅ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄ Ｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ， Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ ） 是指在计算机软、 硬件 支持下， 通过自下而上的虚拟模拟实验， 对复杂自然 系统（ 如城市扩张、 土地利用变化、 景观演变等） 进 行模拟、 预测、 优化和显示的技术。它是探索和分析 地理现象的格局形成、 演变过程以及进行知识发现 的有效工具。地理模拟优化系统试图从微观入手， 探索地理微观空间实体之间相互作用形成宏观地理 格局的动态过程。地理模拟优化系统能够很好地与 Ｇ Ｉ Ｓ 进行耦合， 并且这种耦合能够相互弥补各自的 Ｉ Ｓ 能够为地理模拟优化系统提供丰富的空 缺陷。Ｇ 间信息， 并作为其空间数据处理的平台。 Ｇ Ｉ Ｓ还可 以及时显示和反馈地理模拟优化系统在各种情景下 的模拟效果。更为重要的是， Ｇ Ｉ Ｓ还能对模拟结果 进行空间分析和评价。而地理模拟优化系统则大大 弥补了 Ｇ Ｉ Ｓ较弱的过程模拟能力的不足。所以， 在 很大程度上， 地理模拟优化系统是 Ｇ Ｉ Ｓ 的重要拓展。 地理模拟优化系统的原理是微观个体的局部相 互作用形成宏观格局， 其本质是遵循万有引力定律 或地理学第一定理（ Ｔ ｏ ｂ ｌ ｅ ｒ ′ ｓ Ｌ ａ ｗ ） ， 即越近的个体相 互作用越大。自然界许多现象具有复杂系统的特 征， 无法用基于方程式的方法来解决。而研究表明， 采用从下至上的方法可以有效地模拟复杂系统的行 为。即通过微观个体的相互作用， 来模拟许多自然 界复杂的现象， 包括涌现、 无序到有序、 城市的波动 式发展、 分形等。模拟过程是利用计算机迭代运行 来实现的。模拟的空间和时间是离散的。模拟的最 小单元是微观个体。微观个体可以是可移动的（ 如 人群、 居民等智能体） 和不可移动的（ 如Ｃ Ａ中的静 止元胞） 。微观个体可以代表真实的地理对象， 也 可以是仅仅用来求解的虚拟的智能体（ ｓ ｗ ａ ｒ ｍ ） ， 这
３ ， ４ ］ 分析。如 Ｃ ｌ ａ ｒ ｋ ｅ 等［ 提出了 Ｓ Ｌ Ｅ Ｕ Ｔ Ｈ模型用以模
１ 引 言
地理信息系统（ Ｇ Ｉ Ｓ ） 目前已经广泛应用于各个 领域， 包括地理学、 测绘学、 地质学、 环境科学、 市政 管理、 林业、 农业、 海洋以及电子商务等诸多领域。 地理信息系统在全球空前迅速发展， 产生了巨大的 经济和社会效益。尽管 Ｇ Ｉ Ｓ 具有强大的空间数据管 理和处理方面的能力， 但在模型方面功能较弱， 不能
第２ ４卷 第 ８期 ２ ０ ０ ９年 ８月
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地球科学进展 Ａ Ｄ Ｖ Ａ Ｎ Ｃ Ｅ ＳＩ ＮＥ Ａ Ｒ Ｔ ＨＳ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ４ Ｎ ｏ ． ８ Ａ ｕ ｇ ． ， ２ ０ ０ ９
文章编号： １ ０ ０ １ ８ １ ６ ６ （ ２ ０ ０ ９ ） ０ ８ ０ ８ ９ ９ ０ ９
些智能体可以用来解决复杂的空间优化问题。确定 系统的转换规则或微观个体的行为是地理模拟优化 系统的核心。地理模拟优化系统必须与地理信息系 统相结合， 以有效地获取和更新微观个体的各种属 性。地理模拟优化系统涉及的理论包括复杂系统理 论、 地理信息科学、 计算机科学、 地理学等。 ２ ． ２ 地理模拟优化系统的实现平台及主要功能 地理模拟优化系统平台主要用来进行基于地理 模拟优化系统理论的计算机模拟与分析。平台的逻 辑设计立足于软件工程的技术角度， 通过合理的逻 辑和层次划分来完成。以下是地理模拟优化系统平 台的逻辑结构图。 本Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ系 统 平 台 的 逻 辑 设 计 分 为 ３个 层 次： 表示层、 逻辑层和数据层。最底层的是数据层， 负责获取系统所需的数据， 将系统使用的遥感数据、 Ｇ Ｉ Ｓ 数据或其它数据读入系统中， 作为系统分析需 要的数据源。逻辑层是系统最重要的层次， 完成系 统的各种分析和计算功能。主要包括 ３个部分： Ｃ Ａ 模拟、 多智能体模拟和地理优化。Ｃ Ａ模拟主要是利 用Ｃ Ａ根据不同的转换规则进行地理现象模拟、 预 测等工作。多智能体模拟主要是利用 Ｍ Ａ Ｓ及结合 Ｃ Ａ等进行地理现象模拟和预测。地理优化部分主 要使用生物智能解决各类复杂的空间优化问题。其 次逻辑层还有模拟结果精度校验、 模拟数据分析等 功能。不同的部分将作为不同的组件库进行设计和 构建。各组件可以调用系统模型库中的模型进行分 析计算， 也可以使用共同的数据传输通道进行组件 间的信息交互。 表示层是系统与用户直接交互的部分， 主要完 成数据显示、 参数配置和数据输出等功能。数据显 示功能将系统读入的数据和分析中产生的过程数 据、 结果数据显示出来。参数配置则由用户控制需 要配置的参数。数据输出将分析数据输出供用户 使用。 这 ３个层次之间进行数据交换和传输， 共同构 成地理模拟优化系统平台这一有机整体。地理模拟 优化系统的主界面如下。 ２ ． ３ 地理模拟优化系统的构成及功能 本地理模拟优化系统是采用微观个体来对地理 过程进行模拟和对空间格局进行优化， 并采用了从 下至上的方法， 以解决复杂地理现象的模拟和优化 问题。本系统由 ３个子系统构成： 元胞自动机模拟 子系统、 多智能体模拟子系统和基于人工智能的优 化子系统。
２ ］ 级分析和决策支持的时代 ［ 。
型来模拟广州的城市发展， 分析了各个历史时期的 发展特点。我们提出引入数据挖掘的方法来自动提
６ ］ 取城市 Ｃ Ａ的转换规则 ［ 。
为了反映人文因素及政府等不同角色对地理过 程 的 影 响， 多智能体系统 （ Ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ Ａ ｇ ｅ ｎ ｔＳ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ， Ｍ Ａ Ｓ ） 方面的研究也引起了人们的重视。如 Ｂ ｅ ｎ ｅ ｎ
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形成统一的理论和技术框架体系。为了推进 Ｇ Ｉ Ｓ的 进一步发展， 有必要寻求一种新的理论和技术来开 展地理空间系统的复杂性及其演化过程研究。为 此， 我们提出建立地理模拟优化系统， 以解决地理信 息系统对地理空间系统过程分析能力较弱的问题， 帮助预测地理现象的发展方向及演化过程。地理模 拟优化系统将与地理信息系统相互弥补。本文将探 讨地理模拟优化系统的理论基础， 研究内容和实现 方法。
图２ 地理模拟优化系统（ Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ ） 界面 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｔ ｈ ｅｕ ｓ ｅ ｒｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｏ ｆ Ｇ ｅ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄＯ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ （ Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ ）
地理模拟优化系统 Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ及前沿研究
黎 夏， 李 丹， 刘小平， 何晋强
（ 中山大学地理科学与规划学院， 广东 广州 ５ １ ０ ２ ７ ５ ）

摘 要： 提出地理模拟优化系统（ Ｇ ｅ ｏ Ｓ Ｏ Ｓ ） 的概念、 研究内容和实现方法， 以提供一种十分有效的地 理过程分析和空间探索的工具。地理模拟优化系统的理论基础涉及复杂系统理论、 地理信息科学、 计算机科学、 地理学等。所提出的地理模拟优化系统由 ３个子模块构成： 元胞自动机模拟子系统、 多智能体模拟子系统和基于生物智能的优化子系统。建立地理模拟优化系统可以为复杂资源环境 Ｉ Ｓ 对过程分析功能的严重不足。 及变化提供一种有效的模拟和优化工具， 弥补目前 Ｇ 关 键 词： 地理模拟优化系统； Ｇ Ｉ Ｓ ； 元胞自动机； 多智能体 中图分类号： Ｐ ９ ６ ； Ｔ Ｐ ７ ９ 文献标志码： Ａ 模拟复杂系统的涌现、 无序到有序、 波动等现象， 分 析复杂的人—地关系， 探讨各子系统的协同作用， 挖 掘演变的空间分异规律， 以及进行动态优化（ 基础 设施选址和土地利用空间布局） 等。 Ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｒ 近年来 国 际 上 主 要 利 用 元 胞 自 动 机 （ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ａ ，Ｃ Ａ ） 来对这些复杂的地理过程进行模拟
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２ ． ３ ． １ 元胞自动机模拟子系统 本子系 统 包 括 了 常 用 的 Ｃ Ａ 方 法， 即多准则 （ Ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ Ｃ ｒ ｉ ｔ ｅ ｒ ｉ ａＥ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｍ Ｃ Ｅ ） 和Ｌ ｏ ｇ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ回归模 型
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空间位置在初始状态是随机分布在研究区域上的， ｇ ｅ ｎ ｔ 根据自己的偏好及与政府 模型运行后， 居民 Ａ Ａ ｇ ｅ ｎ ｔ 、 房地产商 Ａ ｇ ｅ ｎ ｔ 共同协商后， 选择较为满意 的空间位置居住。 ２ ． ３ ． ３ 基于群智能的优化子系统 资源环境的管理和利用往往涉及到空间的优化 配置， 需要使用一些优化工具来辅助产生规划方案。 其目的是在时空上最佳地配置或使用资源， 产生最 大效益值。涉及的问题包括设施选址、 土地利用规 划、 水资源的优化配置等。在 Ｇ Ｉ Ｓ数据没有使用以 前， 传统的优化搜索方法一般只用来解决数据量不
１ ２ ］ 大的问题 ［ 。但当把 Ｇ Ｉ Ｓ空间数据引入到空间优
１ ］ 满足地理学家对过程等分析方面的需求 ［ 。许多
拟美国的城市增长， 该模型将城市增长分为自发增 长、 扩散增长、 组织增长和道路驱动增长， 城市增长
５ ］ 的机制十分明晰。Ｗｕ等 ［ 提出了多准则判断的模
地理现象的时空动态发展过程往往比其最终形成的 空间格局更为重要， 譬如城市扩展、 疾病扩散、 火灾 蔓延、 人口迁移、 经济发展、 沙漠化、 洪水淹没等。只 有清楚地了解了地理事物的发展过程， 才能够对其 演化机制进行深层次的剖析， 才能获取地理现象变 化的规律。随着海量空间数据的收集， 地理学家开 始建立更复杂的模型， 包括对地理过程进行分析。 经济的发展和人口的增加， 也促使地理学家对复杂 多变的资源环境进行分析， 往往涉及复杂和不确定 （ ｎ ｏ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ） 的模型。Ｇ Ｉ Ｓ进入了需要更多高
许多地理现象的演变具有复杂的非线性系统特 征， 无法利用单纯的基于方程式的方法来有效研究， 空间模拟方法是强有力的分析探索工具。包括如何
２ ０ ０ ８ １ ２ １ ７ ； 修回日期： ２ ０ ０ ９ ０ ４ ２ ３ ． 收稿日期：
黎夏（ １ ９ ６ ２ ） ， 男， 广西梧州人， 教授， 主要从事遥感和地理信息系统研究． Ｅ ｍａ ｉ ｌ ： ｌ ｉ ｘ ｉ ａ ＠ｍ ａ ｉ ｌ ． ｓ ｙ ｓ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 作者简介：
［ ７ ， ８ ］ ｓ ｏ ｎ 根据居民的经济状况、 房产价格变动以及文
化认同性等模拟了城市空间演化的自组织现象、 城
［ ９ ］ 镇的居民种族隔离和居住分异现象。 Ｌ ｉ ｇ ｔ ｅ ｎ ｂ ｅ ｒ ｇ
提出了一种基于多智能体和元胞自动机相结合的土 地利用规 划 模 型， 该模型引入了政府的主导规划 因素。 然而上述这些研究都是比较分散进行的， 没有